基于物联网和北斗监测云的水库大坝结构安全监测技术研究与应用 1.杭州市余杭区苕溪堤防河道管理所浙江杭州311115;2.杭州市余杭区运河流域水利站;3.杭州市余杭区水文水资源监测站;4.上海米度测控科技有限公司摘要：研究了水库大坝安全监测特点，基于监测物联网和云技术构建了水库大坝安全监测系统,实现了水库大坝安全数据的自动采集、信息化管理、状态预警与移动管理整套技术体系以浙江余杭8个水库为研究试点，将关键技术和研究成果进行应用，建立了水库坝体安全监管云平台，并在基于GNSS的坝体三维变形预警分析上做了深入的分析与探讨，验证了整个技术体系的可行性，具有智慧水库示范应用意义关键字：水库大坝安全，监测物联网，GNSS变形监测，智慧水库ResearchandApplicationofDamStructuralSafetyMonitoringbasedonMonitoringIoTandCloudServiceAuthor:WangShuai,ShenQiangyong,ShenYuxiang,ZhangChunyanAbstract:Thecharacteristicsofdamstructuralsafetymonitoringarestudied,andadamsafetymonitoringsystemhasbeenconstructedbasedonmonitoringIoTandcloudservice,whichrealizestheautomaticcollectionofsafetydata,informationmanagement,statewarningandmobilemanagement.Taking8reservoirsinYuhang,ZhejiangProvinceastheresearchpilot,thekeytechnologiesandresearchresultsareappliedtoestablishthedamsafetymonitoringplatform,andGNSSthree-dimensionaldeformationmonitoringanalysishasbeendeeplydiscussed.Thefeasibilityofthewholetechnicalsystemhasbeenverifiedanditisademonstrationapplicationofintelligentreservoir.KeyWords:ReservoirDamSafety,MonitoringIoT,GNSSDeformationMonitoring,IntelligentReservoir1引言水库综合环境较为复杂，水坝工程构筑物表面、内部变化以及周边环境的安全状态往往难以察觉，在蓄水期和长期运行管理中，存在安全隐患，一旦出现异常状态，必须及时发现并妥当处理，否则可能导致严重后果，危及生命财产安全。
因此，水库的数字化与安全监测的自动化、智能化对水库的科学管理与安全运营尤其重要越来越多的专家学者对其倾注了大量的研究，文献[1]对水电站大坝的监测管理平台进行研究并实践，文献[2]研究了坝体温变效应的分析方法，文献[3]对水工建筑物安全监测自动化技术进行了研究，文献[4,5]基于IoT研究并实践了水电站库区地质灾害监测系统随着监测技术的发展，越来越多的人工监测被传感器的自动数据采集代替，文献[6]研究了GBSAR在坝体安全监测上的应用GNSS变形监测技术的发展使其满足大部分水利坝体的监测精度要求，并很好的规避了光学测量设备受水汽和距离的使用限制的问题[7,8]物联网与云计算技术的发展又为自动化监测提供了新的组织模式，文献[9]基于Lora构建了低功耗监测物联网平台，文献[10]将无线传感器网络应用于滑坡监测研究2基于物联网和监测云的水库大坝安全监测体系依据水利部下发的大坝安全监测技术规范、水环境监测规范、水库大坝安全评价导则等相关标准要求，从水库的坝体结构监测实际情况出发，基于全球卫星导航系统，利用北斗卫星定位技术、高精度变形监测技术、物联网技术、云信息化技术等构建出的集自动化监测、智能化管理、监测信息管理与一体的水利安全监测系统，为大坝的运行状况提供实时安全监测数据，并通过对监测数据的专业分析，自动生成库区健康状况的评价报告，为省、市、县及水库主管部门的安全指导工作和日常管理提供决策依据。
2.1体系架构设计目前现有的自动化监测系统，普遍存在传感设备部署配置繁琐、监测设备昂贵、数据采集与分析软件繁杂、维护难度大等问题，因此无线快速安装免配置的、小巧低成本、低故障率的监测传感器，配上自动数据存贮、备份、计算分析、预警的云服务软件系统成为应用发展的方向2.1.1物联网监测云的优点物联网监测云存在以下优点：(1)减少人工及相关成本；(2)现场监测，远程监控；(3)保证监测数据的密度、连续性、完整性，构建全生命周期安全数据的存贮；(4)云端部署易于数据的备份、恢复，多平台共享；(5)可移动监测查询，便于随时随地掌握安全状态2.1.2水库安全监测体系架构设计文中体系架构可分为监测传感器、监测物联网、监测云及服务三部分监测传感器部分负责原始监测数据的采集与预处理；监测物联网负责数据的远程传输、容灾通讯；云平台及服务负责数据展示分析及其他服务监测体系架构图如图1所示图1监测体系架构图本设计中物联网自动化监测系统与解决方案的目标为：(1)分布式架构：硬件集成供电、通信和数据处理单元，快速部署，免配置；(2)物联网通信：采用4G全网通和广域物联网通信方式，数据传输安全通畅；(3)数据云服务：数据存储、展示、分析、预警依托阿里云计算服务；(4)高可靠性：防护等级高，多备份模组，故障率低；特别的，综合考虑库区水汽、温差对光学测量仪器的影响，以及测站基准稳定作用距离，本设计选用GNSS作为地表三维变形监测的主要手段。
毫米级GNSS实时坝体变形监测，并联合其他传感数据，及时发现隐患做出预警，降低事故发生概率2.2系统主要构成2.2.1高精度GNSS地表变形监测站GNSS地表变形监测站配合高精度地表变形监测数据云解算服务获取毫米级变形监测数据为使GNSS监测精度满足水库坝体的监测精度要求，需对监测数据进行严格控制，降低误差源影响采用初始化建模技术控制多路径效应对解算结果影响，采用抗差卡尔曼滤波减少异常观测数据的影响[4]抗差自适应Kalman滤波解向量构造为：其中，c0、c1为抗差参数，c0为分位参数，为仅由当前历元观测值求得的状态参数的抗差估值2.2.2低功耗物联网智能监测站低功耗物联网智能监测设计特点如下：(1)支持局域自组网、NB-IoT通信、北斗短报文通讯：一般状态下采用NB-IoT通信，自动选择信号较好的运营商网络，确保低功耗和高可靠性；特殊情况下当移动运营商网络失效时，采用北斗短报文通讯，确保监测数据完整、实时、安全、容灾；(2)高精度、智能化、低功耗、高可靠的结构筑物监测用传感器及采集器2.2.3监测云平台数据管理与预警发布监测数据云平台设计特点如下：(1)采用B/S与移动APP组合架构设计；(2)具有传感器监测数据实时获取、云端融合处理、多样化图标展示、三维空间展示与分析、监测预警、报表统计和发布等功能；(3)采用弹性扩容设计，可满足市县→省级→全国的项目信息化管理，提供安全可靠、及时有效的信息化服务。
2.3数据分析与预测2.3.1坝体变形分析模型坝体监测内容包括变形监测，影响因素监测和前兆异常监测三类变形监测包括位移监测（绝对位移和相对位移）、倾斜监测等；影响因素包括降雨量、库水、地下水等；前兆异常又包括动物异常、地下水异常等在常规重力作用下坝体一般呈稳定蠕变型变形，在外界因素的快速作用下，有肯能出现非稳定蠕变或突变在常规重力和外界影响下，坝体的变形可能经历初始变形阶段、等速变形阶段、加速变形阶段，可通过变形量切线角的计算对其进行预测计算公式如下：其中，t为发育阶段时间节点，v为变形速度，S为累积变形量，为切线角图2渐变分析模型切线角越大，被监测体越危险，对与稳定的坝体，在外界因素变化不大的情况下，其切线角应接近于零2.3.2多传感器融合相关性分析变形是坝体受损害的直观表象，是其他因素直接作用演化的结果库水位是坝体受外力影响的主要变形因素，降雨是库水位变化的主要原因之一，渗流量和地下水位是坝体内部安全性的重要评价指标因此对雨量、库水位、地下水位、渗流量的监测可预先判断坝体的安全隐患，配合地下变形与地表变形量综合评判坝体的安全状态，指导管理人员采取应急措施3项目应用实践3.1项目背景水利工程要实现规范化、标准化、信息化管理，我市（杭州市余杭区）水库大坝现有安全监测手段采取的是人工监测，随着技术的进步、监测精度和自动化监测的需要，开展水库大坝安全监测自动化改造与信息化管理平台的建设。
本次试点针对中小型水库：康门水库、龙潭水库、四岭水库、仙佰坑水库、鱼石岭水库、石门水库、奇坑水库、馒头山水库等8座水库，现有大坝人工及自动化监测实际情况设计改造方案，新增自动化监测系统及设备，并建立监测云平台实现坝体安全状态的市级、库区等多级管理与移动处置特别的，本次水库大坝表面位移自动化监测系统是以北斗/GPS高精度技术，通过库区建网实现对水库大坝沿坝体方向的位移、沉降等情况进行自动化监测的功能本项目中自动化监测内容为：GNSS坝体变形监测、库水位监测、渗流量监测、地下水位监测、雨量监测等并采用无人机倾斜摄影技术快速对库区进行三维重建，以多角度直观展示库区安全状态3.2监测原则和依据本监测系统的作用是成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足位移监测的需要，同时又具经济效益的结构健康安全监控系统，遵循以下设计原则和依据3.2.1监测设计原则在充分利用现有资料和现有资源的基础上，建立大坝表面变形监测系统，及时测定和预报坝体的位移等变化情况，并为长期稳定性预测研究提供资料1)科学合理性原则(2)经济实用性原则(3)系统可扩展性原则3.2.2监测技术依据3.3系统组成及技术指标3.3.1系统组成基于北斗系统的大坝表面位移监测系统分为5个子系统，分别为数据采集子系统、数据处理子系统、数据传输子系统、远程监控子系统和辅助支持系统。
1)数据采集子系统：由布置坝体上的GNSS监测站和安装在稳定区域的GNSS基准站（GNSS接收机及其配件）组成；(2)数据传输子系统：采用4G全网通的通信方式，经运营商网络传到监控中心；(3)供电系统：监测系统的供电是整个系统的保障，供电状况是否稳定直接影响到系统能否正常有序工作，系统采用市电和太阳能组合方式进行供电，并添加UPS电源确保断电续航72小时，为电力抢修争取时间；(4)监控子系统：由布置在监控中心的计算机系统、服务器系统及综合数据软件分析系统、云端服务平台系统组成；(5)辅助支持子系统：包括外场机柜、防雷等子系统3.3.2监测系统的技术指标(1)工作电压为220(1±l0%)VAC，直流9-24VDC；(2)各监测点的响应时间一般为1小时一次，最快可缩短至几分钟一次，系统可根据需要进行设置；(3)数据采用云端传输、备份存储，容灾设计，保障系统数据安全可恢复；(4)系统完全自动运行，如数据自动传输、数据自动分析、自动报警及自动生成报表等，系统管理员可对系统进行远程控制、参数设置等操作；(5)用户可根据各监测点位置的地质情况分别设置预警值，如果某监测点监测结果超过预警值，系统。